Att lagra information i ett kvantminnessystem är en svår utmaning, eftersom data vanligtvis snabbt går förlorade. På TU Wien, ultralånga lagringstider har nu uppnåtts med små diamanter.

Med kvantpartiklar, information kan lagras och manipuleras - detta är grunden för många mycket lovande tekniker, såsom extremt känsliga kvantsensorer, kvantkommunikation eller till och med kvantdatorer. Det finns, dock, ett betydande problem:det är svårt att lagra information i ett kvantfysiskt system under en lång tid. Kvantinformationen tenderar att försvinna inom bråkdelar av en sekund på grund av interaktioner med omgivningen.

På TU Wien har det nu varit möjligt att lagra kvantinformation i timmar i taget med hjälp av speciella diamanter. Detta gör kvantinformationen ännu mer stabil än den konventionella informationen som lagras i arbetsminnet på våra datorer. Resultaten av denna forskning har nu publicerats i tidskriften Naturmaterial .

Diamanter med defekter

Ett särskilt kvantsystem används vid TU Wien, som har väckt stort intresse över hela världen. "Vi använder små diamanter avsiktligt sådd med små defekter, säger Johannes Majer, Forskargruppsledare vid Institute of Atomic and Subatomic Physics vid TU Wien. Normalt består en diamant endast av kolatomer. Genom att bestråla diamanten, det är möjligt att införa en kväveatom i diamantstrukturen i stället för en kolatom vid vissa punkter, som sedan lämnar en ledig punkt i kristallgitteret bredvid den. Denna "gitterdefekt" är känd som ett NV-centrum eller kvävevakanscenter. Kväveatomen och den tomma platsen kan anta olika tillstånd, så denna gitterdefektplats kan användas för att lagra en informationskvantbit.

Den avgörande frågan är hur länge denna information förblir stabil. "Tidsskalan där en kvantbit vanligtvis förlorar sin energi och med den lagrad information är tekniskt sett en av de viktigaste egenskaperna hos en sådan kvantbit, "förklarar Thomas Astner, huvudförfattaren till publikationen. "Att förstå exakt orsaken till energiförlusten och hastigheten i denna process är därför avgörande."

För första gången, forskare vid Institute of Atomic and Subatomic Physics vid TU Wien har nu kunnat experimentera bestämma den karakteristiska period under vilken diamantfelen tappar sin kvantinformation. Diamanterna kopplades till mikrovågor så att kvantinformation kan skrivas och läsas. Den speciella mikrovågsresonatorn som används för detta ändamål utvecklades av Andreas Angerer vid TU Wien 2016. Den kan användas för att bestämma, med stor precision, hur mycket energi som fortfarande lagras i diamanten.

Spela in tider

Mätningarna utfördes vid mycket låga temperaturer, strax över den absoluta nolltemperaturen, vid 20 millikelvin. Värme skulle störa systemmiljön och radera kvantinformationen. Det blev uppenbart att diamanterna kan lagra sin information under flera timmar, mycket längre än man trodde var möjligt. "Informationen i D-RAM-chipet i ett vanligt datorminne är mycket mindre stabilt. Där går energin förlorad inom några hundra millisekunder, vilket innebär att informationen sedan måste uppdateras, säger Johannes Majer.

Alla diamanter med defekter erbjuder inte samma lagringstid. Rekorden hålls av en speciell diamant tillverkad av teamet som arbetar med Junichi Isoya vid University of Tsukuba i Japan. Det bestrålades med elektroner under flera månader för att generera så många N-V-centerfel som möjligt utan att införa några andra skadliga effekter. En kvantlagringsperiod på 8 timmar kunde mätas i denna diamant.

"Till en början kunde vi knappt tro dessa underbara resultat, "säger Johannes Majer. Fenomenet undersöktes därför noggrant med hjälp av datasimuleringar. Johannes Gugler och professor Peter Mohn (även vid TU Wien) utförde komplexa beräkningar som ledde till förklaringen att den extraordinära stabiliteten i diamantkvantlagring beror på den särskilt styva diamantgitter. "Medan andra material visar gittervibrationer som snabbt kan leda till förlust av den lagrade informationen, kopplingen av kvantinformation till gittervibrationerna är mycket svag i diamanter och energi kan lagras i timmar, säger Thomas Astner.